GOLPE DE ARIETE

GOLPE DE ARIETE

Edmundo Varas B. y Hamil Uribe C.

Ing. Agrónomo, Ing. Civil Agrícola

INIA Quilamapu

I. GENERALIDADES

El golpe de ariete es conocido por la gente, aún cuando ésta no entienda de hidráulica porque se produce en las instalaciones domésticas de conducción de agua, en forma de martilleo, cuando se abre o cierra con rapidez una llave de paso en una tubería que conduzca agua a velocidad alta.

El golpe de ariete es problema sino de tuberías; por eso hemos relegado a un apéndice, este repaso.

Los ingenieros especialistas, lo estudian muy detenidamente porque conocen bien sus efectos devastadores. Sobre todo, se esfuerzan para determinar las medidas que permiten disminuir su intensidad y preparar las tuberías para resistir los esfuerzos que produce.

El golpe de ariete se ha venido estudiando desde los albores del Siglo XX con mucha meticulosidad. Podríamos señalar los siguientes nombres como los más conocidos por sus trabajos en este campo: Joukowsky fue , en alguna medida, el pionero de los estudios; Allievi estableció la teoría de su nombre; Micheaud es el autor de la fórmula de cálculo de la sobrepresión cuando se conoce el tiempo de parada de la columna líquida; Bergeron publicó el excelente método de cálculo gráfico de su nombre; Parmakian es el autor de un método de cálculo utilizando ábacos para la determinación de las presiones en las tuberías.

En la actualidad, el cálculo del golpe de ariete se realiza por métodos informáticos cuando se trata de una instalación complicada y por el método de Bergeron o las curvas de Parmakian en instalaciones más sencillas.

Muchos análisis de golpe de ariete que se encuentran en tratados de hidrodinámica, hacen referencia al caso de una conducción con flujo hacia un obturador, que es la situación de una tubería de descarga de una presa y tratan menos prolijamente, o incluso no tratan, el caso de una tubería de impulsión que sigue a un bombeo.

II. ANÁLISIS DEL PROCESO FÍSICO

El golpe de ariete es un fenómeno de transformación de energía que se produce cuando hay un cambio brusco en la velocidad del agua. La energía cinética de la masa líquida se transforma de diversas maneras, como veremos al analizar el fenómeno, y si no se disipa, terminará produciendo un impacto sobre elementos de la conducción: válvula, bomba, tubería, etc. Este impacto puede ser destructivo, o simplemente degradar la energía en una deformación, calor y sonido.

Hay una teoría simplista, la de la columna rígida, que no se acepta en la actualidad, para el cálculo del golpe de ariete, pero da una idea bastante clara del porqué de la sobrepresión.

Figura 1: Movimientos de golpe de ariete.

Imaginemos un bombeo que impulsa agua por una tubería recta y corta, inclinada hacia arriba unos 45° y abierta en su extremo. Supongamos que repentinamente se para la bomba y que el agua de la parte superior se hiela bruscamente. El trozo de hielo se deslizará hacia arriba con su inercia, se detendrá y retrocederá acelerándose en la tubería, hasta chocar bruscamente con la bomba o con el obturador que hayamos colocado. No hay dificultad en calcular la inercia del trozo de hielo, su energía cinética y la altura que llegará a alcanzar, y a partir de esta altura, es fácil deducir el impacto que provocará en su caída.

Pero el fenómeno no es tan simple. Se ha prescindido, absolutamente, de la elasticidad de la tubería y además se considera al agua como un fluido incompresible. Si bien lo segundo podría aceptarse en los cálculos, la elasticidad de la tubería es un fenómeno determinante de la importancia del impacto. Por otro lado, en cualquier líquido, y por supuesto en el agua, hay disueltos, aire y otros gases, y el líquido en determinadas circunstancias de presión y temperatura, pasa a estado de vapor, o gas. Además, el golpe de ariete, en un bombeo, no comienza con una sobrepresión, sino con una depresión.

Para analizar y comprender el fenómeno, puede ayudar el imaginarse que la tubería es de goma y se deforma fuertemente bajo la presión. las tuberías de cualquier material también se deforman. Podríamos distinguir las siguientes fases de la parada brusca de una electrobomba por corte de corriente, que es cuando se produce el mayor golpe de ariete:

• Se corta la corriente. La presión en el interior de la tubería en ese momento, es la Hm normal y la tubería se halla tensada por esta solicitación y tiene un diámetro “normal” o mejor dicho, un poco mayor (Figura 1). El motor no aporta más energía a la bomba, ni ésta a la columna líquida que la de su inercia, pero mientras mantiene una velocidad de rotación suficiente (que es un mínimo instante), continúa elevando agua. Luego, al perder velocidad, ya no impulsa caudal alguno, pero el agua continúa fluyendo a su través, en el mismo sentido que al principio. Para entendernos, le llamaremos el sentido positivo. (A) La columna líquida avanza merced a la inercia propia hasta que se detiene. Supongamos que entra por la parte inferior de un depósito, pero significando que el efecto es muy similar haya depósito o no.

Figura 2: Movimientos de golpe de ariete.

Como el rotor de la bomba es un obstáculo al paso del agua, se produce una zona de depresión que comienza en la bomba y avanza a gran velocidad hacia el depósito (Figura 2). En esta zona, la presión interior es inferior a la atmosférica. Se produce una vaporización del agua y un desprendimiento de gases disueltos que, si llega a ser muy importante, provocará la rotura de la columna líquida apareciendo una gran burbuja gaseosa en el interior de la tubería.

La tubería que se encontraba dilatada bajo la presión del bombeo en el momento de la parada, al quedar en zona de depresión, disminuirá su diámetro (Figura 3). Si la presión interior cae por debajo de la presión atmosférica, el diámetro será incluso menor que el calibre de la tubería sin carga.

Figura 3: Movimientos de golpes de ariete.

El conjunto, rotor de bomba + inducido de motor, giran, a menor velocidad en cada fracción de segundo y su velocidad de rotación no les permite impulsar agua.

Si el diámetro de la tubería no se hubiera alterado, el fenómeno habría terminado, porque la masa de agua estaría en situación estable al haber derramado en el depósito el sobrante.

Figura 4: Movimientos de golpe de ariete.

Figura 5: Movimientos de golpe de ariete.

Pero no es así. Al detenerse la columna en su ascenso, se vuelve a recuperar a partir del depósito, la presión estática en el interior de la tubería. Se reabsorben los gases desprendidos. El agua retrocede desde el depósito para ocupar los espacios y este fenómeno de dilatación de tubería- retroceso del agua avanza hacia la bomba (Figura 4); la masa choca allí con lo que haya, clapeta cerrada o bomba, (Figura 5) y se produce una sobrepresión y un impacto en el obstáculo. Si no hay clapeta, la bomba comenzará a girar como turbina arrastrando al motor. Si se permite este giro hasta alcanzar la velocidad de embalamiento, se producirán daños en las máquinas.

Lo corriente es colocar una clapeta y que ésta cierre el paso del agua protegiendo a las máquinas. La sobrepresión se traduce en una dilatación de la tubería y una superior disolución de burbujas de gas en el líquido.

Figura 6: Movimientos de golpe de ariete.

Es decir, bajo la sobrepresión, el líquido se contrae y la tubería aumenta de tamaño, por lo que hay más líquido de lo normal dentro de ella.

El agua continúa fluyendo hacia la bomba mientras que una onda de sobrepresión que dilata la tubería por encima de su diámetro “normal”, avanza en sentido contrario, hacia el depósito. (Figura 6). En esta figura, puede observarse que mientras el flujo se desplaza hacia la izquierda la onda de sobrepresión lo hace hacia la derecha dilatando la tubería desde la bomba.

• Toda la Tubería se ha dilatado más allá de su diámetro “normal”. (Figura 7). En una tubería situada en pendiente como la figura, bajo una altura geométrica de presión variable, el diámetro “normal” disminuye desde la bomba hacia el depósito.

Figura 7: Movimientos de golpe de ariete.

*Ahora se repite el proceso. La tubería dilatada, al cesar el movimiento del agua, ve reducida la sobrepresión a que se encuentra sometida. La presión llega a ser estática. Entonces, bajo esta presión, la tubería comienza a recuperar su forma desde el obturador hacia el depósito. Los gases disueltos en el agua y sometidos a sobrepresión, se desprenden.

Sobra líquido dentro de la tubería. Esta disminución de capacidad hace avanzar una onda de agua en sentido positivo, retornando agua al depósito. (Figura 8).

Figura 8: Movimientos de golpe de ariete.

• Cuando la tubería recupera su tamaño “normal”, el proceso sigue:

La inercia hace avanzar la columna, (Figura 9), y estamos otra vez en el punto (A) de antes.

Si no hubiese rozamiento que degradase la energía y los cuerpos fuesen perfectamente elásticos, el proceso se repetiría pendularmente de manera indefinida. Sin embargo los defectos

de elasticidad y

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